Nitrogen Solubility in Iron-Base Alloys and

Diss. ETH No. 9488 Iron-Base in Solubility Nitrogen Alloys and Powder Nitrogen Metallurgy of High Steels Stainless A dissertation submitte...
Author: Viktoria Klein
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Diss. ETH No. 9488

Iron-Base

in

Solubility

Nitrogen

Alloys

and Powder

Nitrogen

Metallurgy of High Steels

Stainless

A

dissertation

submitted

to

SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

ZURICH, SWITZERLAND for the

of

degree

DOCTOR OF TECHNICAL SCIENCES

presented by Xiao-hong ZHENG Dipl.-Ing. Harbin

of Science and

University Master

Research

of

Technology,

Engineering

Institute of Mechanical

Sciences

CHINA born

in

accepted

November

Heilongjiang,

on

the

6,

1961

China

recommendation

of

Speidel, examiner Prof. Dr. E. Freitag, co-examiner Prof. Dr. H. Feichtinger, co-examiner Prof. Dr. M. O.

Zurich, May

1991

Abstract

have

industrial

work,

fields.

the

iron,

base

alloys from

results

calculating

the

temperature

in

investigated K,

using

has

pressure.

nitrogen solubility

the

the

phase

transformation

results

were

systems, a

contribution

to

a

The

main

motives

the solid

powder solved The

size. in

phase

from

of

addition

X20CrMoV121,

about

solubility by model

on

by

a

parameters

multicomponent

to

Furthermore,

temperature.

Cr2N precipitation

measured

The

interaction

iron

was

1173 which

method

nitrogen

thermodynamic

pure

present

system

to

gradient

related

dependence

the

in

austenite

was

thermodynamic data of nitrogen.

obtained

newly emerging technology, powder metallurgy

of and

Nitriding

nitriding

a

The

producing high nitrogen steels,

for

in

the

on

with

of

solidus

for

state

composition,

of

observed.

directly

be

liquid

the

Fe-Cr-Ni-Mn

of

iron-

interaction

of the

range

from

change

the

alloys

their

as

based

out

wide

solid

range

method.

the

for

well

as

a

the

line

thermodynamic analysis

carried

A

in

statistics

obtained

were

can

evaluated

mathematical

that

in

experimental part

developed temperature

feature

special

the

in

temperature

newly

a

in

the

In

in

analysis of the

and

selection

pure

systematically

is

nitrogen solubility

nitrogen

on

nitrogen activity

and

alloys including

the

solutions

the

permits

powder

and

alloys,

comparison

A

elements

alloying

of

in

the

about

first.

literature

the

parameters

work

reviewed

is

parts

two

various

of research

steels.

stainless

knowledge

The

investigated.

in

applied

iron-base

multicomponent

and

binary

in

nitrogen solubility

the

first part,

and

consists of

solubility

high nitrogen

of

outstanding properties

their

to

investigated

The present thesis

namely nitrogen

metallurgy In

extensively

been

owing

steels

Recently high nitrogen

to

such efforts the

presented the

in

the

powder

conventional of

and

11

a

problem

for the which

smaller must

be

powder metallurgical processing.

several

X3CrMnN1818

is

second part.

higher nitrogen solubility

short diffusional distance

of steel

kinetics

is are

stainless

steel

X2CrNiMol810,

powders, was

first

studied.

The

transfer

during nitriding,

and

the

For

were

mechanical

in

for the

the

flow

gas

inside of

loose

using and

which

types

nitrided

properties that

the

diffusion

consolidated

demonstrated

factors

different

proposed

homogeneity cans

kinetic

nitrogen

investigated. were

two

influence

through the

samples

and

isostatic

hot

microstructure

high nitrogen

steels

produced by the P/M technique.

111

powder

powders

packed

the

the

two

packed powder particle

was

The

were

nitrogen

analyzed. The

pressing (HIP),

investigated. with

mass

nitriding concepts

powder. cans

nitrogen

It

the

and

has

high quality

been

can

be

Zusammenfassung Aufgrund

ihrer

stickstofflegierte bereits

wesentliche

Technik

gefunden.

Teilen,

von

Im

naher

Die

denen

einer

Teil

ersten

der

Eisen

untersucht. Loslichkeit

und

einem

die

Zustand

im

System unter

Stickstoff

von

einer

Verwendung

Veranderungen

der

und

fiir

ein

Abhangigkeit

Modell

Daten

Ein

von

auf

mit

bei

Experiment

Zustand ca.

Fe-Cr-Ni-Mn

1173

K gemessen,

besitzt,

Grundlage

werden

der

fiir

Stahlen,

direkt einem

nach

mathematischen

im die

Statistik

Wechselwirkungsparameter inklusive

Uberdies

Ausscheidung erhaltenen

ihrer

wird

von

Cr2N

eine im

thermodynamischen

durchgefuhrt.

einer

zu

der

dass

Phasenumwandlung

Temperatur. der

wird

im

Bestimmungsmethode

Messwerte

Hilfe

die

Stickstoff

Stickstoff in

von

Im

Besonderheit

entsprechenden

Analyse

der

Pulvermetallurgie rostfreien

die

Die

der

von

Stickstoff

Beitrag

festen

die

genauen

Zusammensetzung,

berechnen.

Solidus bis

von

fiber

werden

auf

Eisenbasis-mehrstoffsystem erzielt,

thermodynamische Austenit

im

welche

die

Aktivitat

in

systematisch

vorgestellt. Nach

neuentwickelten

konnen.

thermodynamischen

zu

Loslichkeit

werden

ausgewertet,

Stickstoff

von

Kenntnisse

chemischer

von

Stickstoffdruck

Temperaturbereich

beobachtet

der

die

in von

behandelt.

Mehrstoffsystemen

um

der zwei

aus

Stickstoff

von

Legierungselemente

ausgewahlt,

Temperaturgradienten,

werden

der

Bereich

und

Loslichkeit

besteht

Loslichkeit

Ubersicht

eine

haben

Gebieten

Pulvermetallurgie

Stahlen

die

und

sind

und

Analysen der vorliegenden Ergebnisse

weiten

Temperatur

die

Stickstoff in der Literatur

von

flussigen

wird

Zwei-

wird

andere

rostfreien

Wechselwirkungsparameter im

Dissertation

Loslichkeit

der

Arbeit

sowie

Zuerst

Vergleichen

die

und

worden

verschiedenen

in

vorliegende

stickstofflegierten

reinem

untersucht

Anwendungen

Eisenbasislegierungen massiv

Eigenschaften

ausgezeichneten

Stahle

die wird

neuentwickelten

Herstellung im

von

zweiten

IV

Technologie, massiv

Teil

der

der

aufgestickten Dissertation

beschrieben. hohere

Die

kleinen

fiir

Hauptgrfinde

Loslichkeit

Das

andere

konventionellen

im

die

Pulverabmessungen,

bedingen.

diese

Stickstoff

von

des

Aufstickungsverfahren

Aufstickungskinetik

von

welches

gelost

sowohl

als

auch

die die

Diffusionswege

im

Rahmen

wurde,

Metallpulvers. einigen

sind

Zustand

kurze

nur

Problem,

Prozesses

Arbeiten

festen

Here

rostfreien

des das

war

wird

die

Stahlpulvern,

X20CrMoV121, X3CrMnN1818 und X2CrNiMol810, untersucht. Zwei kinetikbestimmende Stickstoff sind und Je

bei

zum

loses

einen

die

Typ des

Pulver

aufgestickten in

Faktoren,

einer

den

welche

Aufstickung beeinflussen,

Gasdurchstromung

anderen die Diffusion

zum

nach

der

werden

Pulvers

Eine

vorgestellt. Proben und

von

durch

zwei

wird

Presse

sich

dass

stickstofflegierte

Qualitaten

hergestellt

werden

durch

Die

kompaktiert

und

hohen

Mikrostruktur

v

Kapseln

und

rostfreie

in

werden

danach

die

Es

hat

Stahle

mit

untersucht.

pulvermetallurgische

konnen.

da

Pulverschiittungen

Stickstoffverteilung

erzielt.

Eigenschaften massiv

von

Pulverpartikel. Aufstickungskonzepte fiir

mechanischen

gezeigt,

betrachtet,

Stickstoff in die

homogene

Kapseln

heissisostatischer

Stoffiibergang werden

Technologien